钻石的形成条件是哪些（从钻石的结构理解钻石的性质）

珠宝知识264：珠宝考研考证篇（八十二）：从钻石的结构理解钻石的性质

钻石属于等轴晶系，空间格子属于立方面心格子，下图为钻石的晶体结构示意图，每个晶胞中，有8个C原子分布在立方体的角顶处（A点）、6个分布在立方体面的中心（B点处），如果再将这个立方体切割成为8个小立方体，相间的立方体的中心处，存在一个C原子，因此有四个（C点）。对于钻石的结构，我们可以理解为是由四面体以角顶相连的形式存在的。

C原子之间的距离为0.154nm，立方体的边长为0.356nm，由于每个C原子可以成键4个，因此在整个钻石的结构当中，每个C原子连接4个C原子，所有的价电子都参与形成了共价键，没有自由电子的存在，钻石的性质与钻石的晶体结构密切相关，那么我们从晶体结构的角度出发，来分析钻石的物理化学性质。

一、力学性质1、钻石具有极高的硬度——钻石最典型的特征。

硬度与化学键性有密切的关系，通常情况下，原子晶格的硬度要大于其他类型晶格的硬度，在原子晶格中，共价键的健强越大，则矿物的硬度越大。钻石是自然界最硬的已知矿物，相对硬度是10，但是绝对硬度却是刚玉（相对硬度为9）硬度的150倍，石英（相对硬度为7）硬度的1000倍，钻石具有如此高的硬度主要与钻石中C原子之间的化学键性较强有关。

钻石的同质多像变体最常见的就是石墨，但是石墨却是硬度却极低，与钻石的硬度截然相反，其最重要的原因就是两者之间的结构有着巨大的差异，在石墨结构的内部，一个C与三个C相互联结成键，构成层状结构，但是C有四个价电子，剩下一个自由电子，在整个片层内运动，层与层之间形成分子键，由于分子键的健强远小于C与C之间的共价键的健强，使得石墨的硬度远远低于钻石。自由电子的存在，也会让石墨具有一定的导电性，层间的健强较弱，容易发生滑动，从而可以当做一种润滑剂。

这样极高的硬度是可以作为鉴定证据的

虽然说硬度可以作为一种鉴定证据，但是并不是说我们要去测量宝石的硬度，硬度测试属于有损测试，违背了珠宝鉴定的“无损”的原则，只有在不得已的时候，才会去选择测试宝石不明显的位置进行硬度的测试。

不能够直接测试宝石的硬度，但可以通过宝石的一些外观特征来进行推断，通常来讲，宝石的硬度越高，刻面型宝石的刻面棱就会越锋利，表面会更加光滑，钻石就具有这样的特征，所以说，区别仿钻与钻石很简单，就是观察宝石刻面棱就可以非常轻松的将其区分开来。看看下面这张图片，最左侧为钻石，刻面棱锋利，刻面光滑，证明宝石的硬度很高；中间为合成立方氧化锆，硬度为8左右，虽然刻面较为光滑，但依然不及钻石，并且刻面棱却非常圆滑；最右侧为玻璃，可以看到它的磨损非常严重，表明硬度很低，不可能为钻石，只能为仿钻。

2、钻石的硬度具有一定的方向性——钻石切割的理论基础

钻石是自然界中已知矿物中硬度最高的，这就造成了钻石切磨的难度远大于其他种类的宝石，因此钻石的琢型经历了一个非常漫长的过程，从最开始的尖琢型（14世纪）到现在常见的圆明亮琢型（20世纪初），经历了500多年的历史。

一般情况下，切磨宝石所用材料的硬度要大于所切宝石的硬度才可以，对于硬度最高的钻石又是如何切磨的呢？秘密就在钻石的差异硬度上。矿物的硬度与晶体结构中的键力有关，根据结晶学的基础知识，面网密度越大，面网间距越大，因此面网之间的结合力就会越弱，但是面网内部的结合力就会越强，在钻石中，八面体、菱形十二面体和立方体的面网密度比值为2. 308: 1. 414: 1，八面体的面网密度最大，因此可以得出钻石的八面体方向的硬度＞菱形十二面体＞立方体方向。

钻石的这种差异硬度就使得这个世界上只有钻石才能够切磨钻石了，因此在钻石的切锯、抛光盘等上面镶嵌有无数个排列无规则的小钻石，在这些钻石中，总会有一些钻石的硬度要大于所切钻石方向上的硬度，从而达到切磨钻石的目的。

另外，钻石的差异硬度也导致在选择切磨钻石的时候，首选硬度最低的立方体方向，其次为菱形十二面体方向。八面体方向一般不选，硬度太大是一方面，另一方面是由于钻石具有八面体的解理，从而导致该方向上抛光难度较大。

3、钻石具有四组八面体中等-完全解理——钻石切割的重要方向

解理面是垂直于面网之间化学键力最弱的方向产生的，平行于化学键力最强的方向，这一点我们在"原来宝石也具有强迫症，即使碎，也要碎的平整、光滑、大气"文章中为大家强调过。由于面网密度越大，面网间距越大，面网之间的结合力就会越弱，对于钻石来讲，八面体面网的密度是最大的，面网间距同样最大（立方体、菱形十二面体和八面体方向的面网间距分别为0.089nm、0.126nm和0.154nm），因此钻石的解理平行于八面体方向。

钻石的解理为钻石的切割提供了一个很好的方向，世界上最大的钻石库里南的切割，利用的就是钻石的解理，据传当钻石切磨师"约瑟夫·阿斯切"收到这颗钻石的时候，首先就是制作一个仿制品进行研究，找到钻石的解理方向，当第一刀切下去的时候，钻石纹丝不动，当场晕厥过去，醒来之后第二刀，手起刀落，钻石利落的背劈成了两块。下图就是著名的钻石切磨师"约瑟夫·阿斯切"正在举手劈下那颗著名的库里南钻石。

4、钻石具有脆性——钻石辅助鉴定证据

钻石具有中等-完全的四组解理，当受到外力的时候，容易沿着解理破裂成较为光滑的平面，因此钻石是具有脆性的，在钻石的镶嵌以及保养中，一定要小心钻石较为薄弱的腰棱、底尖等部位，操作不当，容易造成钻石损坏。另外，钻石的破裂之后的解理面是可以作为鉴定证据之一的，腰棱处解理的发育，通常称之为须状腰棱。

下图为钻石的破口处，钻石具有解理的特征使得钻石的破口处相对平整，而不是无规则分布。

钻石的解理等级为中等-完全，形成的断口形状往往呈阶梯型，在钻石的毛坯中常见该现象。

二、光学性质1、钻石的颜色——丰富的钻石种类

钻石以无色-黄色系列为主，其他颜色的钻石相对较少，主要是由于N是钻石中主要的杂质元素，导致钻石吸收蓝色区域的光，使得钻石形成黄色，这一点在上一篇文章中已经为大家分享了。蓝色钻石主要与钻石中的B元素有关；其他颜色的彩色钻石主要与钻石中的晶格缺陷等密切相关。下图是高温高压处理的蓝色钻石的阴极发光图像，可以看到

三组清晰、细密、发强蓝白光的CL滑移面（线）系。

2、钻石常见415.5nm的吸收线——鉴定钻石的依据之一

钻石中的N3心会造成钻石在415.5nm处有较强的吸收线，多数钻石都会观察到这一现象，因此利用该吸收光谱可以作为钻石的鉴定证据之一。此外，钻石确认仪也是依据钻石具有该吸收线而达到快速分析钻石的目的。另外褐色的钻石常见504nm的吸收线，部分钻石可同时观察到415.5nm和504nm的吸收线。

三、钻石的热学性质1、极强的导热性——热导仪快速鉴定的理论基础

钻石的导热性极高，甚至高于很多金属晶体，比如说金属中导热性最好的银。正是因为钻石有极高的导热率，从而可以利用热导仪对钻石进行鉴定。

钻石的极高的热导率也与钻石的结构密切相关，晶体的导热性往往与晶体中的原子振动频率有关，由于钻石的质量非常轻，并且共价键的结合力极强，原子的振动或者共振的频率非常高，每秒可高达40亿万次，这个频率是很难与热能所在的频率形成共振，因此在传导热量的过程中，不会被钻石所吸收，而是非常迅速的传过钻石。

2、稳定的热膨胀性——有利于钻石首饰的镶嵌与维修

如果小时候玩过玻璃，我们就会知道，当玻璃突然遇冷或者遇热的时候，会出现炸裂的情况，就是因为玻璃的的热膨胀率很高，当突然遇冷或者遇热的时候，体积会迅速的缩小或者膨胀，导致表面与内部不能够统一变化，导致炸裂。但是钻石不会出现这种情况，钻石热膨胀性非常低，甚至可以低到当温度突然变化的时候，对钻石的影响可以忽略不计。

热膨胀系数其实与很多因素有关，这其中包括键力（结合能）、熔点等密切相关，一般情况下，结合力越强，升高同样的温度，质点振幅增加的较少，热膨胀系数就会相应减小。刚刚我们讲到，钻石以共价键为主，所有的价电子都参与成键，结合力很强，因此钻石会具有相对较低的热膨胀系数。

钻石的这一性质是有利于钻石首饰的维修的，但是如果钻石内部存在有其他类型的矿物包裹体，若包裹体的热膨胀系数大于钻石，加热时会导致包裹体的膨胀程度大于钻石，使得钻石内部应力的出现，从而导致钻石的破裂，因此当钻石的净度较差时，或者有明显包裹体存在时，不宜加热钻石。

四、钻石的化学性质1、特别稳定的化学性质——钻石的保养，可以不用那么小心翼翼

C原子具有4个价电子，并且在钻石中全部参与形成共价键，因此钻石的化学性质极为稳定，不溶于酸和碱，甚至王水也不能够溶解钻石，所以经常使用酸性较强的硫酸等清洗钻石。但是，这并不意味着钻石不与任何物质发生反应，热的氧化剂是可以腐蚀钻石的，例如温度在500℃以上的硝酸钾溶液，在钻石的表面形成蚀像，利用该方法可以研究钻石的结构特征。

另外，钻石是具有可燃性的，在空气中加热到850-1000℃时开始缓慢燃烧，发出浅蓝色的火焰，钻石在氧气中的燃点相对较低，为650℃。钻石的成分是C也是由钻石燃烧之后变成二氧化碳开始知道的。不过对于古代的科学家，我只能是佩服，将这么名贵的宝石燃烧，我也想看看钻石燃烧的样子，一定都是"钱"的味道。

下图是钻石与石墨的相图，通过相图我们会知道，在常温常压下钻石应该是不稳定的，应该向石墨方向转化，但是这种转化的速度极低，因此可以忽略不计，但是在绝氧的条件下对钻石加热到2000-3000摄氏度时，钻石会转变成为石墨。

五、钻石的电学性质1、钻石的导电性——绝缘体、半导体

纯净的钻石是不含有自由电子的，因此钻石应该为电的绝缘体，但是对于IIb型蓝色钻石而言，B原子只有三个价电子，当与C结合的时候，会导致C原子剩余一个价电子，形成自由电子，使得IIb型蓝色钻石具有导电性。

六、钻石的其他性质1、钻石具有亲油疏水性——钻石的鉴定与保养

钻石具有非常明显的亲油疏水性，这一点可以应用在钻石的鉴定以及钻石矿床的开采当中。对于鉴定来讲，油性笔是可以在钻石的表面留下连续的笔迹的，在开采的过程中，利用的是沾有一层油脂的传送带运送钻石。

钻石具有这样的特点，主要是由于钻石表面的C原子总会存在一些未占用的轨道，很容易被其他物质的电子所占用，与空气中的气体结合，形成非极性的表面，但是水是极性分子，这就是造成钻石具有疏水性的原因。

2、钻石的蚀像与生长台阶——符合钻石的对称规律

晶体的对称不仅仅是外形的对称，还包括物理化学性质的对称，蚀像本身就是晶体在形成之后，当受到腐蚀、溶蚀之后，在晶面上形成的一些具有规则形状的凹坑，而晶面阶梯、生长纹等，实际上就是晶体阶梯生长的证据之一，所以晶体蚀像以及晶面台阶会受到晶体结构（面网性质）的控制，蚀像的形态特征同样符合晶体的对称规律，因此钻石的蚀像、晶面台阶以及生长纹等，恰好能够反映钻石的对称规律，也是钻石对称规律很好的外在表现。

钻石的蚀像主要出现在八面体方向上，在八面体面上，常见到倒三角的蚀像，在立方体面上，可以见到四边形的凹坑，但是凹坑的角则指向立方体晶面的边。

下图为钻石的八面体面上的生长台阶，这是按照层生长理论晶面不断向外平行推移的结果。生长层的差异很大，有的很薄，在晶面上形成等高线一样的花纹，有的则很厚，形成厚厚的生长台阶。这种生长台阶主要发育在八面体面上，并且台阶的边棱与钻石的八面体晶棱相平行。

下图为钻石菱形十二面体面上的生长脊，实际上就是钻石沿菱形晶面较短对角线的方向上发育一条隆起的线，是的菱面体晶面看上去就像两个有一定交角的三角形面。这种生长脊不是很高，若生长脊特别发育，则形成典型的四六面体单形。

下图是留在钻石成品中的生长纹。

下图为钻石各种各样的生长纹理。

好了，关于钻石的性质就分享到这里，希望对大家有所帮助。

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